楊東輝，段宇昕，王俊杰，張玉偉

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075； 2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710021；3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

我國(guó)水資源儲(chǔ)量豐富，但地域分配不均勻。為了解決我國(guó)水資源分布不均問(wèn)題，我國(guó)很早就規(guī)劃了南水北調(diào)、引漢濟(jì)渭等重大引水戰(zhàn)略工程。輸水隧洞作為主要的建筑物在各項(xiàng)引水工程中占有重要的地位[1]。隨著我國(guó)大規(guī)模輸水工程的建設(shè)與發(fā)展，長(zhǎng)距離的輸水隧洞越來(lái)越多。我國(guó)是一個(gè)地層條件多變的國(guó)家，在復(fù)雜地層中輸水隧道容易受到地層變化而發(fā)生襯砌力學(xué)行為改變，并且輸水隧洞運(yùn)行期間由于內(nèi)部承受較高的水壓力工程地質(zhì)條件[2-4]、環(huán)境條件等[5-10]變化常常會(huì)對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力造成不利影響，在襯砌受力變化的條件下易發(fā)生滲漏問(wèn)題[11-13]。黃土是一種對(duì)水環(huán)境變化非常水敏性的土，在黃土地層中的輸水隧洞局部滲漏會(huì)引起周?chē)S土地層含水率改變，造成地質(zhì)條件惡化，進(jìn)而引起襯砌力學(xué)行為發(fā)生改變，極易對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)還可能引起地層沉降過(guò)大等環(huán)境問(wèn)題。

有關(guān)輸水隧洞發(fā)生滲漏的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已有不少相關(guān)研究，張根全[14]分析了隧洞滲漏可能的原因及危害，并提出了綜合治理措施；朱新民等[15]為了防止長(zhǎng)距離輸水隧洞的缺陷可能引起的滲漏問(wèn)題，提出了能夠快速檢測(cè)并將結(jié)果數(shù)字化的紅外成像檢測(cè)技術(shù)，成功縮短了實(shí)際檢測(cè)工作中所占用的時(shí)間；馮麗杰[16]總結(jié)了水工隧洞的滲漏原則及一般處理辦法，并結(jié)合具體工程成功進(jìn)行了處理；劉登學(xué)等[17]對(duì)深圳市某有壓輸水隧洞的滲漏原因進(jìn)行了分析，并提出了合理的整治方法；曹小武等[18]采用有限元的方法分析了隧洞襯砌可能發(fā)生裂縫滲水問(wèn)題的部位，提出了綜合加固措施并對(duì)加固效果進(jìn)行了數(shù)值分析驗(yàn)證；鄭旺[19]應(yīng)用化學(xué)灌漿的方法對(duì)福清市調(diào)水工程的滲漏問(wèn)題進(jìn)行了處理；張建華等[20]采用碳纖維布對(duì)三道河水庫(kù)的輸水隧洞進(jìn)行了加固，起到了防漏補(bǔ)強(qiáng)的作用；李翔宇等[21]通過(guò)三維數(shù)值模擬研究了局部滲漏對(duì)地鐵隧洞周?chē)翆蛹岸軜?gòu)隧洞沉降的影響?？梢钥闯觯壳皩?duì)輸水隧洞滲漏引起的工程問(wèn)題研究較多，但很少有關(guān)于黃土地區(qū)輸水隧洞襯砌病害問(wèn)題的研究。黃土地層中的輸水隧洞結(jié)構(gòu)滲漏會(huì)造成周邊地層含水率發(fā)生變化，黃土含水率變化后強(qiáng)度降低、變形增大，從而對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因此不同地層浸水工況對(duì)黃土輸水隧洞襯砌力學(xué)行為的影響需要進(jìn)一步深入研究。

基于此，為揭示黃土地區(qū)輸水隧洞局部滲漏引起的襯砌力學(xué)變化規(guī)律，本文以榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程神木支線的輸水隧洞為背景，制定5種潛在可能發(fā)生的滲漏水工況，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)黃土地區(qū)輸水隧洞發(fā)生滲漏的問(wèn)題進(jìn)行研究，從位移、地表沉降及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力三個(gè)方面，綜合分析了輸水隧洞各處發(fā)生局部滲漏對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)受力及地層沉降的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)該輸水隧洞的滲漏防護(hù)要點(diǎn)。研究結(jié)果可為黃土地區(qū)輸水隧洞前期設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

本文依托工程為榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程神木支線，榆林黃河?xùn)|線馬鎮(zhèn)引水工程主要是滿足神木市窟野河河谷區(qū)、榆神工業(yè)區(qū)錦界工業(yè)園、榆神工業(yè)區(qū)清水溝工業(yè)園、榆陽(yáng)區(qū)榆溪河以東工業(yè)園等園區(qū)的工業(yè)用水，該項(xiàng)目是榆林市域中長(zhǎng)期水資源配置的戰(zhàn)略性工程，它的實(shí)施將為榆林能源化工基地的建設(shè)和運(yùn)行提供可持續(xù)的水資源保障。該工程由一條總干線、兩條支線組成，支線分為榆神支線和神木支線。神木支線設(shè)計(jì)流量1.3 m3/s，從黃石溝水庫(kù)分水，向北經(jīng)神木市至店塔鎮(zhèn)，線路總長(zhǎng)35.8 km，主要由輸水隧洞和壓力管線組成，地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 神木支線地理位置圖

神木支線總長(zhǎng)35.77 km，沿線穿越地貌主要以侵蝕—?jiǎng)兾g的黃土梁峁為主，溝壑及黃土殘塬發(fā)育，隧洞穿越地層為濕陷性黃土地層，最大埋深超過(guò)60 m，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，黃土濕陷系數(shù)為0.02左右，雖然屬于輕微濕陷性黃土，但考慮到運(yùn)營(yíng)后隧洞長(zhǎng)期滲漏引起的濕陷量會(huì)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)造成不利影響，另外本線采用有壓輸水形式，一旦有局部滲漏發(fā)生可能引發(fā)地層濕陷和隧洞襯砌結(jié)構(gòu)破壞的連鎖反應(yīng)，對(duì)周邊環(huán)境影響較大。因此本文研究假定隧洞均位于濕陷性黃土地層中，并以埋深15 m為例，制定隧洞不同位置的滲漏工況，詳細(xì)研究不同滲漏工況下隧洞結(jié)構(gòu)受力和地層沉降情況，明確不同滲漏位置發(fā)生局部滲漏對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并提出合理性控制對(duì)策。

2 數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)確定

通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探及相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮并選取了巖體的相關(guān)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。數(shù)值模擬計(jì)算所需參數(shù)詳見(jiàn)表1。輸水隧洞周?chē)鷰r土體為黃土，具有一定的濕陷性。為了考慮隧洞局部滲漏對(duì)周?chē)S土的影響，采用“密模修正法”對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行近似模擬，滲漏浸水后的黃土重度取飽和重度γsat取17.65 kN/m3，彈性模量的修正系數(shù)取0.3，修正彈性模量E為7.56 MPa。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 模型建立

根據(jù)輸水隧洞的幾何參數(shù)建立數(shù)值模型，該隧洞直徑為10 m，襯砌采用厚度30 cm的C30混凝土。在進(jìn)行幾何建模的過(guò)程中，為了減小邊界效應(yīng)的影響應(yīng)注意模型邊界到隧洞邊界的距離應(yīng)不小于3倍洞徑。隧洞埋深15 m，模型長(zhǎng)100 m，寬50 m，高60 m。根據(jù)確定好的各項(xiàng)參數(shù)，完成幾何模型的建立，并根據(jù)計(jì)算要求對(duì)模型單元進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。對(duì)建立好的模型進(jìn)行荷載條件及邊界約束的設(shè)置。荷載包括：巖體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重，在Z方向上設(shè)置重力加速度。邊界約束即對(duì)模型內(nèi)的位移和旋轉(zhuǎn)設(shè)置約束，在整體坐標(biāo)下，包括模型左右側(cè)的X方向、前后側(cè)的Y方向和下側(cè)的XYZ方向。隧洞周?chē)膸r土體采用三維實(shí)體單元模擬，隧洞的襯砌采用二維板單元模擬，巖土體選擇各向同性的摩爾-庫(kù)侖彈塑性模型，結(jié)構(gòu)材料采用不考慮材料非線性的各向同性彈性模型。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 分析工況設(shè)計(jì)

為了分析局部滲漏對(duì)輸水隧洞的影響，對(duì)于隧洞周?chē)哂幸欢裣菪缘狞S土，通過(guò)“密模修正法”考慮其滲漏濕陷的影響，為了便于分析不同位置滲漏的不同影響，分別考慮隧洞拱頂、拱肩、拱腰、拱趾和仰拱5個(gè)不同位置的局部滲漏，考慮輸水隧洞周?chē)?0 m范圍內(nèi)的巖土受到滲漏濕陷的影響最為顯著，并對(duì)10 m范圍內(nèi)的巖土體進(jìn)行區(qū)域劃分及編號(hào)，如圖3所示。

圖3 輸水隧洞滲漏影響區(qū)域劃分示意圖

分別考慮隧洞拱頂、拱肩、拱腰、拱趾和仰拱5個(gè)不同位置的局部滲漏，設(shè)計(jì)5種分析工況，見(jiàn)表2。

表2 輸水隧洞局部滲漏數(shù)值模擬分析工況

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水平位移分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可得到輸水隧洞在不同位置發(fā)生局部滲漏情況下的位移，輸水隧洞不同位置局部滲漏水平位移云圖如圖4所示。

由圖4可知，輸水隧洞不同位置發(fā)生局部滲漏引起的水平位移較小，與未發(fā)生滲漏的情況相比，水平位移主要發(fā)生在兩側(cè)拱腰處。工況1當(dāng)拱頂發(fā)生滲漏時(shí)，左右兩側(cè)拱腰在水平方向上向外張開(kāi)，但水平位移量較小，為1.72 mm左右；當(dāng)左側(cè)拱肩、拱腰和拱趾分別發(fā)生滲漏時(shí)，左右兩側(cè)拱腰的位移量均較小，圍巖整體向未滲漏側(cè)發(fā)生微小的水平位移；工況5當(dāng)仰拱發(fā)生滲漏時(shí)，左右兩側(cè)拱腰在水平方向上向內(nèi)收縮，但水平位移量較小，為0.94 mm左右。顯然輸水隧洞的局部滲漏對(duì)圍巖及隧洞水平位移的影響主要表現(xiàn)在拱腰，且對(duì)水平位移的影響較小，因此應(yīng)關(guān)注局部滲漏問(wèn)題對(duì)圍巖及隧洞豎向位移的影響情況。

圖4 輸水隧洞不同位置局部滲漏水平位移云圖

3.2 豎向位移分析

在各種滲漏工況下圍巖及隧洞的位移主要以豎向位移為主，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可得到輸水隧洞不同位置發(fā)生局部滲漏的豎向位移云圖如圖5所示。提取隧洞滲漏側(cè)不同測(cè)點(diǎn)位置的計(jì)算結(jié)果，可得到不同滲漏工況下隧洞的豎向位移變化云圖如圖6所示。

由圖5可知，黃土地層中的輸水隧洞發(fā)生局部滲漏對(duì)隧洞豎向位移造成顯著影響，隧洞各處的豎向位移以下沉為主。工況1即當(dāng)拱頂處發(fā)生滲漏時(shí)，隧洞各處位移關(guān)于隧洞軸線對(duì)稱，最大位移位于拱頂處，下沉量為7.13 mm左右，拱肩、拱腰和拱趾處的豎向位移相差不大，均為5 mm左右；仰拱處的豎向位移最小。工況2即當(dāng)拱肩處發(fā)生滲漏時(shí)，最大位移位于拱肩處，下沉量為5.75 mm左右，拱頂、拱腰和拱趾處的豎向位移相差不大，最小豎向位移仍位于仰拱處。工況3即當(dāng)拱腰處發(fā)生滲漏時(shí)，拱頂位移相對(duì)較小，為3.55 mm左右；最大位移位于拱腰處，發(fā)生4.43 mm左右的下沉。工況4即當(dāng)拱趾處發(fā)生滲漏時(shí)，最大位移位于拱趾處，發(fā)生4.88 mm左右的下沉，拱頂位移相對(duì)較小，為3.50 mm左右，最小豎向位移仍位于仰拱處，為3.32 mm左右。工況5即當(dāng)仰拱處發(fā)生滲漏時(shí)，隧洞各處位移關(guān)于隧洞軸線對(duì)稱，最大位移位于仰拱處，發(fā)生5.23 mm左右的下沉，其余各處的豎向位移相比較小。

圖5 輸水隧洞不同位置局部滲漏豎向位移云圖

將不同滲漏工況下隧道不同位置的豎向位移匯總示于圖6。由圖6可知，當(dāng)隧洞局部發(fā)生滲漏，滲漏位置處的隧洞豎向位移最為顯著，除去滲漏處的其余各處拱肩、拱腰與拱趾的豎向位移相差不大，仰拱處對(duì)于滲漏產(chǎn)生的豎向位移較小。當(dāng)隧洞拱肩、拱腰處發(fā)生滲漏時(shí)，隧洞各處的豎向位移均相對(duì)較大；當(dāng)隧洞仰拱處發(fā)生滲漏時(shí)，隧洞各處的豎向位移相對(duì)較小。當(dāng)拱頂發(fā)生滲漏時(shí)，隧道拱頂處的豎向位移較大，其他部位處位移較小。考慮到實(shí)際情況，隧道拱頂處滲漏的情況較少，因此在對(duì)可能發(fā)生局部滲漏問(wèn)題的輸水隧洞進(jìn)行防護(hù)加固時(shí)，為防止?jié)B漏后引起的豎向位移過(guò)大，應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防拱肩、拱腰處發(fā)生局部滲漏。

圖6 輸水隧洞不同位置局部滲漏豎向位移變化

3.3 地表沉降分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可得到輸水隧洞在不同位置發(fā)生局部滲漏情況下的地表沉降，輸水隧洞不同位置局部滲漏的地表沉降變化如圖7所示。

圖7 輸水隧洞不同位置局部滲漏地表沉降變化

由圖7可知，當(dāng)輸水隧洞不同位置發(fā)生局部滲漏時(shí)，地表沉降相差較大，其中工況1拱頂發(fā)生滲漏與工況5仰拱發(fā)生滲漏由于滲漏位置關(guān)于隧洞軸線對(duì)稱，因此地表沉降也呈對(duì)稱樣。當(dāng)隧洞一側(cè)的拱肩、拱腰與拱趾發(fā)生滲漏時(shí)，對(duì)地表沉降的影響程度相差較大，隨著滲漏位置埋深的增大對(duì)地表沉降的影響逐漸減小。當(dāng)隧洞拱頂、拱肩及拱腰發(fā)生局部滲漏時(shí)對(duì)地表沉降的影響較大，均會(huì)產(chǎn)生不小于4 mm的最大沉降，其中最大沉降的位置隨著滲漏位置的改變也逐漸向滲漏側(cè)移動(dòng)。當(dāng)隧洞拱趾及仰拱發(fā)生局部滲漏時(shí)對(duì)地表沉降的影響較小，由于滲漏產(chǎn)生的最大地表沉降處于2 mm左右。因此當(dāng)關(guān)注于輸水隧洞的局部滲漏對(duì)地表沉降的影響時(shí)，應(yīng)側(cè)重于防護(hù)可能發(fā)生在拱頂、拱肩及拱腰處的滲漏問(wèn)題。

3.4 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可得到輸水隧洞在不同位置發(fā)生局部滲漏情況下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，輸水隧洞不同位置發(fā)生局部滲漏的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖8所示，不同工況下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力量值見(jiàn)表3。

圖8 輸水隧洞不同位置局部滲漏襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表3 不同工況下襯砌的最大、最小主應(yīng)力

由圖8和表3可知，當(dāng)隧洞發(fā)生局部滲漏時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂與仰拱附近的應(yīng)力以壓應(yīng)力為主、左右拱腰附近的應(yīng)力以拉應(yīng)力為主。隨著浸水工況的不同，隧洞襯砌的最大主應(yīng)力量值也有所變化，最大主應(yīng)力的最大值均位于左側(cè)拱腰處，最小主應(yīng)力的最小值均位于仰拱處但隨著浸水位置向下移動(dòng)，最大主應(yīng)力的量值逐漸減小，即說(shuō)明對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響逐漸減小。

當(dāng)隧洞拱頂處發(fā)生滲漏時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大，當(dāng)隧洞仰拱處發(fā)生滲漏時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最小。隧洞不同位置處發(fā)生局部滲漏對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響相差不大，均會(huì)對(duì)襯砌的拱頂及仰拱處作用一定的壓應(yīng)力，對(duì)左右拱腰處作用一定的拉應(yīng)力；當(dāng)隧洞一側(cè)發(fā)生局部滲漏時(shí)，滲漏側(cè)的應(yīng)力大于未發(fā)生滲漏側(cè)。因此輸水隧洞的局部滲漏會(huì)對(duì)滲漏側(cè)的襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力，應(yīng)注意對(duì)可能發(fā)生滲漏情況處的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固及防護(hù)。

4 結(jié) 論

本文基于數(shù)值模擬的方法對(duì)黃土地區(qū)輸水隧洞發(fā)生局部滲漏引起的襯砌力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從位移、地表沉降及襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力三個(gè)方面分析了不同位置發(fā)生滲漏的情況對(duì)隧洞造成的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 輸水隧洞的局部滲漏對(duì)圍巖及隧洞水平位移的影響較小，主要表現(xiàn)在隧洞兩側(cè)的拱腰位置；局部滲漏對(duì)豎向位移的影響較為明顯，應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防可能發(fā)生在拱肩、拱腰處發(fā)生局部滲漏。

(2) 局部滲漏情況對(duì)地表沉降的影響隨著滲漏位置埋深的增大而逐漸減小，因此應(yīng)側(cè)重于防護(hù)可能發(fā)生在拱頂、拱肩及拱腰處的滲漏問(wèn)題。

(3) 輸水隧洞的局部滲漏會(huì)引起發(fā)生滲漏一側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)較大的應(yīng)力，應(yīng)注意對(duì)可能發(fā)生滲漏情況處的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固及防護(hù)。